東北地區高速公路
路面典型結構及路面材料指標的研究
報告簡本
自2023年瀋陽至大連高速公路建成通車以來，截至2023年底,東北地區已建成高速公路里程達到4600公里，取得了的顯著成績。在東北地區高速公路取得了顯著成績的同時，也充分暴露了一些問題。
一直以來，我國高速公路設計與施工中遵循的是涵蓋全國的規範和標準，路面典型結構大多是採用高速公路建設初期確定的典型結構，路面結構型式過於單一。遼寧、吉林、黑龍江三省屬季節性冰凍地區，特殊的氣候條件使東北地區的瀝青路面在使用過程**現的早期病害除具有其它地區的共性外，還具有冰凍地區的特殊性，如高溫車轍、低溫開裂及凍脹翻漿等現象。這些病害的產生不僅嚴重降低了高速公路的使用效能，而且對國家投資造成了鉅額浪費。
東北地區是我國傳統的重工業基地，在全國經濟發展中占有重要地位。而隨著振興東北地區老工業基地的快速發展必將產生大量的交通運輸需求，需要繼續加快基礎設施建設。所以，如何適應環境的變化，結合東北地區自然環境、氣候條件、交通荷載和使用要求等實際情況，積極開展瀝青路面典型結構設計的研究，通過對半剛性基層瀝青路面的再認識和對柔性基層瀝青路面的研究，有效地利用已有的成果和經驗，提高路面結構設計質量、防止高速公路瀝青路面出現早期破壞，延長路面的使用壽命、節約公路養護費用，對推動東北地區經濟的發展具有重要的意義。
國外路面典型結構研究已有一定的基礎，美國、法國、德國早在七十年代就提出了典型結構，隨後，比利時、奧地利、南非、印度等國相繼對典型結構做了大量的研究。近年來，許多國家針對當地具體情況，提出許多適應於當地的典型結構設計方法及瀝青路面典型結構，避免了設計中繁瑣的計算，為路面設計向定型化方向發展準備了條件。現在，國外已開始研究永久性路面，且已經在重交通道路上應用，在延長瀝青路面使用壽命方面獲得了極大成功，使瀝青路面壽命可達40年～50年以上。
國內路面典型結構研究工作開展得比較晚，但近二十來年我國公路研究工作者在這方面做了大量的工作。上世紀八十年代初期，我國許多地區和部門開展了路面結構優化方法的研究和探索，提出了高等級公路合理結構、合理厚度的概念。八十年代末期，一些省、市開始了典型結構的研究，如湖南在國內首次提出了較為系統的在不同交通量、不同土基強度下的半剛性路面典型結構組合標準推薦表。
「八五」重點科技攻關專案「高等級公路半剛性基層瀝青路面典型結構的研究」提出了適合於我國高等級公路半剛性基層瀝青路面的設計原則和設計方法。九十年代中、後期開始，河南、湖北、陝西等省、市、自治區結合本地區實際情況提出適合本地區的路面典型結構，為全國各地區制定路面典型結構相簿奠定了堅實的基礎。
迄今為止，還未有適合東北寒冷地區高速公路典型結構的相關成果報導，因此，如何考慮氣候條件、交通荷載等因素的影響，把路面結構設計與各地的實際經驗有效地結合起來，提出適合東北地區氣候特點的典型結構設計還需要做更進一步的研究工作。
1、研究內容
（1）高速公路瀝青路面使用效能調查研究
①對東北地區高速公路瀝青路面出現早期病害的典型路段進行調查研究，並結合交通荷載資料進行原因分析；
②對高速公路**現凍脹、翻漿和開裂較嚴重路段的路基水文地質情況、半剛性基層使用狀況進行調查；
③對高速公路中運營7-8年以上，使用效能良好的瀝青路面路段進行工程地質、施工工藝、路面材料指標調查，分析原因並提出半剛性基層瀝青路面的適用條件；
④對國外一些氣候和緯度與東北地區相近的高速公路瀝青路面結構進行調研、諮詢。
（2）東北地區柔性基層瀝青路面試驗路段使用效能調查研究
對近幾年在東北地區高速公路、一級公路上修築的柔性基層瀝青路面進行使用效能調查，確定柔性基層瀝青路面的適用性和相應材料指標。
（3）東北地區高速公路瀝青路面典型結構的研究
①根據東北地區的氣候特點，並借鑑國外的典型結構經驗，合理確定不同交通荷載下的高速公路瀝青路面典型結構；
②結合高速公路凍脹、翻漿路段的病害調查結果及試驗路試驗結果，驗算並確定高速公路瀝青路面典型結構組合型別抗凍墊層最小厚度。
（4）典型結構路面相應材料指標的研究
①兼顧瀝青混合料高溫穩定性，進行瀝青混合料低溫抗裂效能及抗疲勞效能的研究；
②半剛性基層材料抗收縮效能、抗凍效能及抗疲勞效能的研究；
③柔性基層材料級配、模量等指標的研究。
2、技術路線
圖3-1 專案研究技術路線框圖
本專案的關鍵技術如下：
（1）東北地區高速公路交通量和土基模量的合理確定及劃分等級
（2）東北地區高速公路瀝青路面不同結構組合的適用條件
（3）東北地區高速公路瀝青路面材料路用效能指標研究
（4）不同凍區路面抗凍墊層設計
專案組以長餘高速公路、長琿高速公路作為該項目的依託工程，鋪築了半剛性基層和組合式基層實體工程，並對其進行了跟蹤觀測，詳見表5-1所示。
試驗路型別及樁號表5-1
專案組通過近4年的研究工作，在東北地區自然氣候條件、交通狀況、路基狀況、路面典型病害及使用效能調查的基礎上，通過大量的試驗研究、系統的計算分析和對依託工程的跟蹤觀測及效果評價，取得了一系列的研究成果，完成了專案合同所規定的內容，達到了預期目標。現將成果簡要介紹如下：
1、東北地區高速公路瀝青路面結構影響條件的調查分析
對典型結構的三方面影響因素——氣候條件、交通荷載和土基強度進行調查分析，進而對道路凍區、交通量等級以及土基強度等級進行了詳細的劃分，為瀝青路面合理結構的提出奠定了基礎。
（1）根據1961～2023年40年氣溫統計資料和1991～2023年10年降水和凍結指數調查資料，對遼寧、吉林和黑龍江三省的氣溫、降水、凍結指數和凍深等資料進行彙總，在部頒「公路工程抗凍設計與施工技術指南」的基礎上，將道路凍區進一步劃分為特重凍、重凍和中凍區，為典型結構抗凍設計及其它路面結構凍害防治提供依據。
圖6-1 東北地區凍區劃分圖
（2）根據遼寧省沈大、沈山、吉林省長平、長吉、長余及黑龍江哈雙、哈大、哈同9條高速公路2004～2023年交通量調查結果，綜合考慮東北地區交通荷載大小和組成、未來交通**結果以及幹線公路的修建和今後高等級公路建設發展的需要，將東北地區交通量分為中、重和特重交通等級，將其作為典型結構制定的荷載依據。
東北地區交通等級劃分表6-1
注：設計年限15年，t1表示特重交通；t2表示重交通；t3表示中等交通。
（3）根據東北地區高速公路常用的路面結構，使用pads分析了3種路面結構在5種軸載下的受力狀態，經過近200次的計算，以相鄰土基等級對底基層厚度的影響為依據，進行了土基強度等級劃分，結果見表6-2，將其作為典型結構的土基強度條件。
東北地區土基強度等級劃分表6-2
2、東北地區高速公路半剛性基層瀝青路面使用效能調查及病害原因分析
專案組對東北地區沈大、長平、長吉、哈雙等9條主要高速公路900km典型路段進行了使用效能調查，包括結構強度、車轍、橫向裂縫、凍脹翻漿和開裂5個方面，在此基礎上，分析了東北地區高速公路半剛性基層瀝青路面的主要病害形式及原因，提出了瀝青路面使用效能和結構及材料的相關性，分析了氣候條件及交通荷載對路面結構的影響，並選擇使用狀況良好和有病害的相近路面結構進行對比分析，總結了半剛性基層適用條件，提出了半剛性基層工作環境的改善措施。
（1）路面結構強度調查顯示，東北地區主要高速公路強度水平明顯不足，其原因為運營期間基層及路基強度在行車及環境荷載作用下的衰減，典型結構提出時可考慮通過提高路基頂面的強度或基層的厚度來保證路面結構使用期間的強度。
（2）車轍是東北地區高速公路瀝青路面主要病害之一，東北地區影響車轍的因素主要為瀝青混合料效能、層間結合、溫度、車輛荷載，施工控制等，路面材料抗車轍設計是重要指標之一。
各條高速公路調查路段彎沉評級表6-3
（a）拉林河方向b）長春方向
圖6-2 2005長余高速公路路面破損主要型別比率
（3）橫向裂縫為東北地區高速公路瀝青路面裂縫的主要型式，產生裂縫的主要原因是半剛性基層的反射裂縫和瀝青面層的對應裂縫，在路面結構和材料設計中應進行抗裂設計。
裂縫度計算結果（m/1000m2表6-4
（4）路面凍脹開裂和翻漿在東北地區高速公路中普遍存在，分析原因為路面結構抗凍設計不足，所以在典型結構設計中應加強抵抗凍裂和翻漿的設計。
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